浅析网络安全的“守门神”-iptables

一、iptables前世今生

iptables最早可以追溯到ipfirewall，这是在Linux内核1.x时代的一个简易访问控制工具，能够工作在内核中，对数据包进行检测。然而，ipfirewall的功能非常有限，因为它需要将所有的规则都放进内核中才能运行。随着内核技术的发展，进入2.x时代后，ipfirewall更名为ipchains，它可以定义多条规则，并将这些规则串联起来，共同发挥作用，这使得防火墙的配置和管理变得更加灵活和强大。

而现在，我们所说的iptables是在ipchains基础上的进一步发展。iptables可以将规则组成一个列表，实现绝对详细的访问控制功能。与ipfirewall和ipchains一样，iptables本身并不算是防火墙，而是工作在用户空间中定义规则的工具。这些规则会被内核空间中的netfilter读取，从而实现防火墙的功能。

换句话说，netfilter才是防火墙真正的安全框架，iptables其实是一个命令行工具，位于用户空间，我们通过它操作真正的安全框架netfilter。

二、iptables基础理解

当客户端希望与服务器上的某个进程通信时，它会将数据包发送到网卡。在这个过程中，数据包的目标指向了该进程的特定套接字，即特定的IP地址和端口号。当该进程需要回应客户端的请求时，它会生成响应数据包，此时数据包的目的地址变为客户端的地址，而原本进程所监听的IP与端口则转变为数据包的发送起点。

之前我们提到过，防火墙的实质是内核中的netfilter模块。为了确保防火墙的“防护”功能得以实现，我们需要在内核中设置安检口，即“input安检口”和“output安检口”。所有进出服务器的数据包都必须通过这些安检口接受严格的审查。符合放行标准的数据包将被允许通过，而满足拦截条件的数据包则会被拦截，如下图1所示。

图1  防火墙示意图1

当然，客户端发来的数据包访问的目标地址可能并不是本机，而是其他机器，这时服务器就可以进行对数据包进行转发。这类转发的数据包就会先后通过“prerouting安检口”、“forward安检口”和“postrouting安检口”进行检查，即“路由前”、“转发”与“路由后”，如下图2所示。

图2  防火墙示意图2

在iptables中，上述安检口被称为链（chain），规则被定义在这些链上，而规则又因功能的不同被划分到不同的表（table）中。iptables配置防火墙的主要工作就是添加、修改和删除这些规则。

三、iptables常见概念

1.链的概念：

每当数据包通过这些安检口，安检口会立即启动规则匹配机制，针对传入的数据包逐一比对预设的规则，并根据匹配结果执行相应的操作。通常情况下，安检口上并非仅设置单一规则，而是整合了众多规则以满足不同的安全需求。当这些规则按照特定的顺序紧密排列，就构建起了我们所说的“链”。因此，我们可以将每个安检口视为如图3所示的结构模型，每一个通过安检口的数据包，都必须严格按照顺序，逐一与这条“链”上的所有规则进行比对。一旦数据包与某条规则相匹配，就会立即执行该规则所规定的动作。

图3 链的结构模型

如上图所示，iptables提供了五个基础链，分别是prerouting，input，forward，output，postrouting，它们的使用场景有所不同。

input 链：当收到访问本机地址的数据包时，将应用此链中的规则。

output链：当本机向外发送数据包时，将应用此链中的规则。

forward链：当收到需要转发给其他地址的数据包时，将应用此链中的规则。

prerouting链：在对数据包做路由选择之前，将应用此链中的规则。

postrouting链：在对数据包做路由选择之后，将应用此链中的规则。

2.表的概念：

之前我们提到每个“链”上都配置了一系列规则，然而这些规则中有些具有相似的功能。例如，A类规则主要用于对IP地址或端口进行过滤，而B类规则则负责修改数据包内容。为了更高效地管理这些规则，iptables在ipchains的基础上进行了优化升级，将具有相同功能的规则集合称为“表”。iptables提供了四个主要的表，分别是filter表、mangle表、nat表和raw表，其中默认使用的是filter表。这样的设计使得规则的管理和配置更加条理化和系统化。

filter表：对数据包进行过滤，具体规则决定如何处理一个数据包。

nat表：修改数据包的 IP 地址、端口号信息。

mangle表：修改数据包的服务类型，生存周期，为数据包设置标记。

raw表：决定是否对数据包进行状态跟踪。

3.表链关系：

由于五种链使用场景的不同，注定了某些链不具备某类规则，相对应地，某类规则不一定在所有链里存在。在iptables中，表和链之间的关系如下图4所示。

图4 表链关系

上图还反映了一个规律，就是链中不同表的规则匹配的先后。拿prerouting链举例，prerouting链中的规则存放于三张表中，而这三张表中的规则执行的优先级如下：raw - mangle - nat。事实上，iptables为我们定义了4张”表”,当他们处于同一条”链”时，执行的优先级如下：raw - mangle - nat - filter。

4.规则的概念：

在iptables规则中，匹配条件和处理动作是定义规则行为的两个关键组成部分。匹配条件用于确定规则适用于哪些数据包，可以是数据包源地址、目的地址、端口、协议等；而处理动作则定义了对匹配的数据包采取的操作，可以是放行（accept）、拒绝（reject）和丢弃（drop）等。通过灵活组合这些匹配条件和处理动作，管理员可以构建出复杂而精细的规则，以实现网络安全防护、路由管理、地址转换等多种网络操作。

规则的基本命令操作，强烈建议大家去学习朱双印的博客：

，本文主要为大家剖析iptables的工作原理。

四、iptables数据流向

结合上述信息，我们可以将数据包通过防火墙的流程总结为下图5所示，在配置iptables规则时，该图应该了然于胸。

图5 数据处理流程图

发送数据包过程：先进入output链处理，如果没有被拦截则根据路由选择出网口，再进入postrouting链处理，最后从网卡出去。

接收数据包过程：先进入prerouting链处理，根据路由判断数据包发给本机，报文进入input链处理，如果没有被拦截则被进程处理。

转发场景的数据包处理过程：先进入prerouting链处理，根据路由判断数据包是不是发给本机，是则进入forward链处理，如果没有被拦截则进入postrouting链处理，最后从网卡出去。

五、总结

网络安全防护是不可或缺的一环，特别是在构建大型网络时，在实际使用中iptables有着灵活且强大的防火墙功能。深入理解iptables，不仅有助于更全面地理解整个网络架构，还能精准把握内核空间中的数据流向，并深刻洞悉Linux的安全机制。希望今天的技术分享能为大家带来启发。

作者：万伟潇，缪云海

单位：中国移动智慧家庭运营中心